繞線式永磁轉差離合器的設計研究

江浩斌，趙 回，唐 斌

(江蘇大學，鎮江 212013)

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繞線式永磁轉差離合器的設計研究

江浩斌，趙 回，唐 斌

(江蘇大學，鎮江 212013)

繞線式永磁轉差離合器是一種新型的非接觸式傳動裝置，根據一種重型車輛新型電控液壓助力轉向系統(E-ECHPS)中傳動機構的需求設計了繞線式永磁轉差離合器，建立了二維電磁場有限元模型。在瞬態分析中，空載反電勢波形的正弦度高，諧波畸變率低，負載情況下繞線式永磁轉差離合器能夠滿足E-ECHPS系統最大功率和平穩運行的要求。參數化分析得到了轉矩-轉差特性，臨界轉差低于200 r/min，可以確保功率傳遞的高效率。提出的設計方法對于繞線式永磁轉差離合器研究具有理論指導意義和實際參考價值。

永磁轉差離合器；非接觸式傳動；轉差；電磁場有限元；分數槽

0 引 言

電磁轉差離合器以其無機械磨損、性能穩定可靠、控制方便、可實現無級變速等優點而廣泛應用于造船、造紙、紡織、冶金、起重機械和汽車變速器等有關拖動系統中[1-2]。磁粉離合器是以磁粉為工作介質來傳遞轉矩的一種電磁離合器，可以通過調節勵磁電流改變磁粉間的電磁力，實現傳遞轉矩的變化，在工業自動化控制領域應用廣泛[3]。現代電力傳動技術中，永磁調速裝置占據著重要地位。在永磁非接觸式調速器理論和實驗研究方面，Wallace A等在盤式永磁渦流耦合器上做了大量研究，運用永磁渦流傳動的核心技術在導體盤和永磁體盤之間傳遞轉矩，并采取低電壓變頻驅動的方式實現調速[4-5]。劉偉和Amged S則是通過機械方式改變導體盤和永磁體盤的軸向間距以調節氣隙厚度，達到調速目的[6-7]。楊超君等研究了18極16槽盤式異步磁力聯軸器的傳動特性，得出不同工作參數對該磁力聯軸器傳遞轉矩和傳動效率的影響[8]。

繞線式永磁轉差離合器是一種新型的非接觸式永磁傳動裝置，內轉子磁極采用永磁體勵磁是其與電磁轉差離合器的主要區別。相比傳統電磁轉差離合器，繞線式永磁轉差離合器的內轉子無需設置直流繞組進行勵磁，體積和轉動慣量更小，動平衡性能更好，同時節省了直流勵磁的電能。相比盤式永磁渦流耦合器，繞線式永磁轉差離合器不會產生由渦流傳動所造成的大量熱量損失，在高轉差時利用外控制電路可對外轉子三相繞組產生的轉差能量進行回收，實現更高效率的動力傳動。

本文對繞線式永磁轉差離合器進行相關理論研究與分析，根據一種重型車輛新型電控液壓轉向系統中調速傳動機構的需求設計了繞線式永磁轉差離合器，對其進行了二維電磁場有限元的空載與負載仿真，結果表明所設計的繞線式永磁轉差離合器可以滿足理想設計需求。將該繞線式永磁轉差離合器進行再設計與優化可以運用于更多傳動場合。

1 機械結構與工作原理

1.1 機械結構

繞線式永磁轉差離合器的機械結構如圖1所示。

圖1 繞線式永磁轉差離合器的結構示意圖

繞線式永磁轉差離合器主要包括外轉子電樞部分、內轉子磁極部分和外控制電路。外轉子內嵌有三相繞組，三相繞組通過滑環和電刷與外控制電路電氣連接，內轉子上表貼永磁體，構成隱極式內轉子結構。外轉子作為輸入端與主動軸相連，內轉子作為輸出端與從動軸相連，內外轉子同心旋轉，無機械聯系。

1.2 工作原理

繞線式永磁轉差離合器安裝在主動軸與負載軸之間。永磁體在內轉子磁極中建立起恒定的主磁場，當外轉子由主動軸拖動旋轉時，電樞部分切割主磁場，在三相繞組內引起感應電流，形成的電樞磁場與主磁場交鏈從而在內外轉子間建立起電磁轉矩，這一轉矩則帶動內轉子及其所聯結的負載軸以某一轉速旋轉，轉矩大小取決于主磁場強度和內外轉子轉速差。內轉子隨外轉子旋轉在本質上相當于感應電機的轉子隨定子繞組的旋轉磁場旋轉。

2 設計要求

本文從實際應用的角度出發，根據一種重型車輛新型電控液壓助力轉向系統(E-ECHPS)中所需的調速傳動機構對繞線式永磁轉差離合器進行設計[9]。該新型電控液壓助力轉向系統在發動機與轉向泵之間安裝傳動機構，依靠調速實現轉向泵不同工況下所需的轉矩和轉速。

首先在重型車輛發動機艙內安置附加的傳動機構必須考慮空間合理性，所占用的空間盡量小。經調研分析后，確定繞線式永磁轉差離合器的最大外徑不大于200 mm，最大軸向尺寸不大于120 mm。在外形尺寸允許的范圍內，繞線式永磁轉差離合器的輸出功率需要達到系統要求。由于E-ECHPS系統在不同工況下是變功率輸出，因此按照電機功率匹配的方法，對系統在指定運行點輸出最大功率的工況進行匹配，即重型車輛發動機怠速轉速約700 r/min時，轉向泵能夠獲得40 N·m轉矩及600 r/min轉速的輸入，且轉矩轉速的波動要盡量小。指定運行點最大輸出功率工況符合條件后，通過外控制電路的調速可實現轉向泵在其他小功率工況時的功率輸出。表1是繞線式永磁轉差離合器的基本設計要求。

表1 繞線式永磁轉差離合器的設計要求

3 二維有限元模型

3.1 本體

首先對繞線式永磁轉差離合器的二維有限元模型做如下假設：忽略溫度對永磁體退磁的影響；忽略機械結構端部的漏磁；忽略鐵心的磁滯和渦流損耗。

本文的繞線式永磁轉差離合器在極槽配合上采用16極18槽的分數槽結構，可有效降低齒槽轉矩，減小轉矩波動[10]，并選擇雙層的短距集中繞組，有利于改善電動勢和磁動勢的波形。由于繞線式永磁轉差離合器的外轉子由主動軸拖動旋轉，無需永磁電機普遍性的啟動問題，所以內轉子磁路結構采用表貼式，永磁體表貼同時能有效降低漏磁系數，后期利于對磁極優化得到更高正弦度的氣隙磁密波形[11]。繞線式永磁轉差離合器的基本參數如表2所示。圖2和圖3分別是二維模型的結構圖和網格剖分圖。

表2 繞線式永磁轉差離合器的基本參數

圖2 繞線式永磁轉差離合器模型圖圖3 繞線式永磁轉差離合器網格剖分圖

3.2 外控制電路

外控制電路與外轉子三相繞組電氣連接，以實現繞線式永磁轉差離合器的調速控制，如圖4所示。

外控制電路中，LPA,LPB,LPC代表外轉子三相繞組，La,Lb,Lc和Ra,Rb,Rc代表三相繞組的端部電感和直流電阻值，取值分別為4.824×10-6H和0.41 Ω。Rla,Rlb,Rlc是三相繞組的負載阻抗，改變該負載阻抗即可對內轉子進行調速，使繞線式永磁轉差離合器輸出不同功率，實現相同轉差下輸出轉矩的變化或者相同負載下內外轉子轉差的變化。通過數字可編程電位器可對負載阻抗值進行自動化控制。

圖4 外控制電路圖

4 二維電磁場的瞬態分析

本文運用Ansoft Maxwell電磁分析軟件對繞線式永磁轉差離合器進行瞬態分析。Ansoft 3D剖分質量不易控制，易導致設計精度不如Ansoft 2D，此外,Ansoft 3D會耗費大量計算機資源和時間。繞線式永磁轉差離合器在結構與原理上可歸為旋轉電機類，故對其進行二維電磁有限元分析。

4.1 空載仿真

空載仿真主要是查看繞線式永磁轉差離合器外轉子繞組的空載反電勢，反電勢波形的正弦程度非常重要，一般情況下，反電勢的正弦度越高，輸出的轉矩波動越小[12]。

本文選取轉差200 r/min時的工作運行點進行空載仿真，得到外轉子繞組的空載反電勢及其傅里葉分解圖如圖5和圖6所示。由圖可知，空載反電勢波形的正弦度很高，傅里葉分解圖中基波幅值約39 V，諧波次數少，其中三次諧波幅值最大，約4 V，總諧波畸變率低，利于后期負載仿真。由于采用分數槽集中繞組，故出現了分數次諧波，以4作為分數次的分母是因為16極18槽的單元電機是8極9槽，單元電機的極對數是4。

圖5 空載反電勢波形

圖6 空載反電勢傅里葉分解

4.2 負載仿真

負載仿真是對E-ECHPS系統的最大功率工況進行匹配，驗證所設計的繞線式永磁轉差離合器是否能滿足表1中提出的要求。

4.2.1 最大功率工況

根據設計要求，設定外轉子定轉速700 r/min，內轉子考慮機械瞬態情況，初始轉速為300 r/min，負載為40 N·m，仿真結果如圖7～圖9所示。

圖7 內外轉子轉速

圖8 內外轉子轉矩

圖9 外轉子三相繞組感應電流波形

圖7是內轉子轉速的仿真結果，內轉子在40 N·m負載的情況下能夠達到600 r/min的轉速輸出，轉速波動小于5 r/min，且穩定時間低于0.05 s，響應敏捷性高。圖8是內轉子轉矩的仿真結果，內轉子輸出轉矩在0.03 s后與40 N·m的負載轉矩相平衡，轉矩波動小于2 N·m，表明本文設計的繞線式永磁轉差離合器平穩度高。內外轉子轉矩的絕對值相等，符合力的作用是相互的基本原理，驗證了繞線式永磁轉差離合器在結構設計上的合理性。圖9是外轉子繞組的三相感應電流，A相、B相和C相繞組的感應電流有效值分別是11.759 9 A,11.765 8 A和11.670 8 A。與空載反電勢一樣，外轉子三相感應電流波形擁有很高的正弦度。本文通過分數槽、雙層短距集中繞組、外轉子齒形等一系列優化方式，不僅使繞線式永磁轉差離合器滿足了最大功率要求，而且成功降低了輸出轉矩與轉速的波動。

4.2.2 轉矩與轉差的參數化分析

繞線式永磁轉差離合器作為一種非接觸式傳動裝置，主要作用是實現主從軸之間的調速，在轉差變化時其輸出轉矩足夠驅動負載才能實現穩定調速，因此轉矩-轉差特性是其重要特性之一。本文以內外轉子轉速差為參數、輸出轉矩為目標對繞線式永磁轉差離合器進行了參數化分析，結果如圖10所示。

圖10 轉矩T與轉差ns的關系曲線簇

圖10是內轉子輸出轉矩T與內外轉子轉速差ns的關系曲線簇。隨轉差ns的增大，輸出轉矩T也增大，但轉差ns在150 r/min和200 r/min時的輸出轉矩基本相等，說明臨界轉差ne在150 r/min與200 r/min之間，即此時轉差離合器達到峰值轉矩Tm。本文將轉差進行更為細化的參數化分析，計算出平均輸出轉矩，導出數據后得到平均轉矩與轉差ns的關系曲線，如圖11所示。

圖11 平均轉矩與轉差ns的關系曲線

由圖11可見，臨界轉差ne為180 r/min，此時繞線式永磁轉差離合器的內轉子輸出峰值轉矩Tm=48.986 0 N·m。臨界轉差ne之后，輸出轉矩隨轉差增加而緩慢降低，這是因為功率因數開始下降。本文通過優化外轉子繞組阻值的方式來調整臨界轉差ne，以適應E-ECHPS系統最大功率運行點轉差小于200 r/min的需求。最大功率輸出時，轉差越小，繞線式永磁轉差離合器的效率越高。

5 結 語

本文從實際應用的角度出發，根據一種重型車輛新型電控液壓轉向系統(E-ECHPS)中傳動機構的需求設計了一種新型的非接觸式永磁傳動裝置繞線式永磁轉差離合器，建立了二維電磁有限元分析模型與外控制電路。

瞬態分析中，空載反電勢波形的正弦度高，反電勢的傅里葉分解圖中諧波畸變率低，負載情況下繞線式永磁轉差離合器可以達到E-ECHPS系統最大功率要求，且運行的平穩度和響應敏捷性高。參數化仿真了繞線式永磁轉差離合器的輸出轉矩與轉差的關系，在臨界轉差前，輸出轉矩隨轉差增大迅速增大，臨界轉差后轉矩隨轉差增大緩慢減小，臨界轉差可以根據需要而調整設計。

該繞線式永磁轉差離合器的設計為更多基于電磁力學原理的傳動裝置打下了基礎，對新型非接觸式永磁傳動裝置的設計與優化具有理論指導意義和實際參考價值。

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Research on Design of Wound-Rotor Permanent Magnet Slip Clutch

JIANGHao-bin,ZHAOHui,TANGbin

(Jiangsu University,Zhenjiang 212013,China)

Wound-rotor permanent magnet slip clutch is a novel contactless transmission. It was designed based on the requirement of a new type of the heavy vehicles' electro-hydraulic power steering system (E-ECHPS) and its finite element model in 2D electromagnetic field was established. In the transient analysis, the sine degree of no-load back-EMF is high while its harmonic distortion rate is low. Under load condition, wound-rotor permanent magnet slip clutch can meet the demands of E-ECHPS for both maximum power and steady operation. Torque-slip characteristic was achieved by parameterized method. The critical slip is less than 200 r/min, that can assure the high efficiency of power transmission. The provided method has theoretical guiding significance and practical reference value for the research on wound-rotor permanent magnet slip clutch.

permanent magnet slip clutch；contactless transmission；slip；finite method for electromagnetic field；fractional-slot

2015-06-01

TM351

A

1004-7018(2016)07-0013-04

江浩斌，男，博士，教授，研究方向為車輛動力學性能分析與電控技術。